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1、 分类号_ 密级_ UDC _ 学号_毕业设计（论文）论文题目井下定位系统thesis TopicPOSITIONING SYSTEM OF PERSONNEL UNDER MINE学生姓名XXX所 在 院 系XXX学院XXX系专 业 班 级计算机科学与技术XXX班导师姓名职称XXX2005年6月2日 编号： 毕业设计（论文）答辩许可证-学院 系 专业 学生 所编写的毕业设计(论文) 页，字数 ，符合毕业设计(论文)大纲的要求。经审查：该生已学完教学计划规定的全部课程，成绩合格，毕业设计电子文档最后一稿已交，准予参加毕业设计（论文）答辩。相 关 材 料材 料 名 称数量毕业设计（论文）1册毕业
2、论文缩写1册实习日记1册答辩汇报稿1份毕业设计（论文）电子版（最后一稿磁盘文件）1套指导教师： （签名）教研室主任： （签名）系 主 任： （签名）院 长： （签名） 2005 年 6 月 日 井下定位系统学院XXX 系别计算机专业计算机科学与技术班级XXX 姓名XXX【摘 要】本文介绍了一种实现井下人员自动定位系统的设计。整个系统采用无线数据采集，有线传输的方式。每名井下人员配有一身份码发送器，通过发送无线信号把自身的人员编号发送出去。井下沿巷道设置身份码监测站通过接收无线信号来收集人员信息数据。井下各个监测站收集到的数据通过电缆传至地面主机，由主机完成对数据的分析、处理和存储。地面主机和井
3、下各监测站采用CAN现场总线协议连接构成一个完整的系统。采用成型的可靠的的无线收发模块设计出身份码监测站和发送器，采用多种抗干扰措施，以保证无线数据可靠的传输。【关键词】煤矿;井下人员;定位系统;设计Abstracts: This text introduce a design of system which can located person automatically undermine. Datum are collected by way of wireless and transmitted by the cable in the wholesystem. Everyone has
4、 a transmitter under mine. Identity code is send out by wireless signal.Stations of monitoring identity code was installed along laneway，which gather datum aboutworkers from receiving wireless signals. The datum from every monitor stations aretransmitted to the host computer of ground by cable. Then
5、, the host computer can analyze，process and store the datum. Based on CANbus field protocol, the host computer and everymonitor stations under mine compose a complete system. We have designed monitor stationand transmitter of identity code with existing wireless transceiver module, and adopted a lot
6、 ofanti-interference measures to Guarantee the reliability of transmission of wireless signals.Keywords: Coal mine; well next personnel; fixed position system; design目 录扉页答辩许可证毕业设计（论文）任务书第1页第4页中文摘要I英文摘要II目录III文献综述1本选题研究领域概况.1选题目的及意义.2研究思路及方案.4进度计划.参考文献第一章 专题论文正文5一、 井下定位系统的一般结构图和基本原理5（一） 系统的一般结构5（二）系
7、统的基本原理6（三） 系统开发设计相关理论知识介绍6二、 井下定位系统的基本特点及内容13系统结构特点.14系统监控对象和内容.14系统功能.14三、 井下定位系统的实现.16 系统的结构设计与说明.18 主机机房和主机的设计.18 基站的设计.28 终端的设计.37 通信系统的设计.39其他附属系统的设计.41致谢46参考文献47文献综述学 院： XXX学院 系 别： 计算机系专业班级： 计算机科学与技术XXX班 姓 名： XXX指导老师： XXX井下定位系统一、 本选题研究领域概况国内外研究现状 目前能提供该解决井下定位方案的供应商全国约510家，主要是传统的煤矿监测网络工程商，以及RFI
8、D工程商；目前全国煤矿26395处（截止2002年底），每个省的国有煤矿大多从属于几个大型矿业集团，因而也是市场的标杆客户。 由于煤矿安全的特殊性，所以进入产品必须通过相关煤安认证，这种市场准入政策也限制了常规企业的涌入。由于电子产品的规模效应，研发和生产、煤安认证等静态投入需要大量的前期铺垫资金，大规模应用将大幅降低系统费用。 中国煤矿的特点大致相似，因而产品具有相似性和通用型，可以大规模推广应用。项目的营销渠道可以从选择小型煤矿试点，和大型矿业集团合作建立标杆应用工程，通过强化和国家生产安全总局关系纽带推动政策性推广，同时通过展会、网络、电话、人际关系、直销等模式营销目前能提供该解决方案的
9、供应商全国约510家，主要是传统的煤矿监测网络工程商， 工程商；目前全国煤矿26395处（截止2002年底），每个省的国有煤矿大多从属于几个大型矿业集团，因而也是市场的标杆客户。 由于煤矿安全的特殊性，所以进入产品必须通过相关煤安认证，这种市场准入政策也限制了常规企业的涌入。由于电子产品的规模效应，研发和生产、煤安认证等静态投入需要大量的前期铺垫资金，大规模应用将大幅降低系统费用。 中国煤矿的特点大致相似，因而产品具有相似性和通用型，可以大规模推广应用。项目的营销渠道可以从选择小型煤矿试点，和大型矿业集团合作建立标杆应用工程，通过强化和国家生产安全总局关系纽带推动政策性推广，同时通过展会、网络
10、、电话、人际关系直销等模式营销。井下人员定位系统也属于监控系统的一部分，国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，我国起步较晚，约始于20世纪80年代后期。随着各项技术的进步，以及产品的性能/价格比进一步提高，使得监控系统在我国的应用逐步得到推广。 为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大引进了数十套监控系统，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的CTT63/40/ M系统、加拿大森透里昂系统。这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。上述系统均是综合型监测系统，但侧重于安全参数
11、的检测和控制.同时，这些系统还存在如下的问题: (1)性能/价格比过低，系统价格过高，一般矿井难以承受: (2)监控主机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情; (3)由于使用的是国外技术，技术服务支持有时很会存在困难; (4)近年来技术进步较快，部分技术已经不具备先进性。 自从我国引入上述系统后，相继出现了仿制国外的系统如KJ4系统等，以及我国自研的系统，如KJ2, KJ22。焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测。 井下人员定位系统是对整个监控系统的进一步完善。目前国外己有类似产品。像国外的英国雪普(SPRINT)工业电气集团，美国安菲斯科技
12、发展有限公司与澳大利亚矿山技术公司的MS系统。但是这些系统功能都还不尽完善，造价太高，性能还不够可靠。近期国内有煤矿迫于煤矿安全生产的需要，准备斥巨资引进国外的的系统。国内的系统也只是处于研发阶段，未见有应用的纪录。国内如北京京天威.交大威克科技发展公司，煤炭科学研究总院常州自动化研究所的j69型。我们在广泛调研的基础上，提出了该系统的设计方案，其功能满足现代化矿井的安全监控要求，对煤炭的安全生产必将起到重大的推动作用课题的可行性 在广泛调研的基础上，根据现有的技术条件，我们制定了切实可行的方案。整个井下人员自动定位系统由地面主机和井下若干身份码检测站及人员随身携带的身份码发送器组成，身份码发
13、送器采用超高频信号发送。采用无线检测，有线传输方式构成二级集散式微机监测系统，对井下人员实现自动跟踪定位，实时监测、显示人员的身份、位置及分布状况。平时用于生产管理，一旦遇到突发事故，可根据系统主机提供的井下人员情况，做出正确快速的营救决策。二、 选题目的及意义我国煤炭产量主要来自于地下开采，由于生产技术和安全保障水平低，井下作业危险系数很高，煤矿安全事故时有发生；救护技术装备落后，一旦发生矿难，不能迅速了解井下遇险人员的分布位置，正确制定抢救方案，造成作业人员伤亡与财产损失；煤矿职工队伍数量大、素质较低，传统安全管理已不适用于现代煤矿生产；煤炭市场好转，煤价上扬，利益驱使导致生产厂家不顾安全
14、条件突击生产、盲目超产，埋下安全隐患 等等。特别是，随着我国经济的高速发展，全社会煤炭需求量将继续大幅增加，这必将“刺激”煤矿企业的高产超产，同时国家各级主管部门和领导对煤炭企业安全生产的关注达到前所未有的高度. 由于煤矿生产的特殊性，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。目前，煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低。因此煤矿行业迫切需要井下人员定位系统，工作人员佩戴特殊矿灯(有定位终端)通过网络基站向监控中心传送他
15、们的位置信息，实时掌握每个人在井下的位置及活动轨迹，对煤矿的安全生产将有积极作用，在一定程度上减少人员伤亡。平时，上传的位置信息也可以用做工作人员的考勤记录。采用微功率无线网络，在摆脱烦杂冗余的线路的情况下，实现了对井下人员及其他设备的远程数据采集与监控。高度模块化设计使得该系统的可修改和可扩充性很强，无线收发模块都可以按照不同用户的要求进行灵敏度调整，实现人员定位精度的可调整煤矿的地下作业空间狭窄、工作环境恶劣，时刻都有发生事故的可能性，事故发生后应尽快组织抢救。但过去由于调度、通讯手段的限制，加之矿井巷道复杂，往往事故发生的瞬间，摸不清楚井下工人分布情况和位置，而造成抢救不及时，不能把事故
16、的影响和损失降到最低限度。安装了“煤矿井下人员自动定位系统”，可以及时反馈井下人员的各种信息，一旦发生事故，可使救治工作以最快的速度有效展开，最大限度地减少灾害损失。随着国家对煤矿安全的日益重视和监管力度的不断加强，各具有一定生产规模和管理水平的煤矿都已装备了安全生产监控系统，这些安全装备的推广应用大大改善了我国煤矿安全生产状况。但是目前煤矿井下管理还普遍存在入井人员管理困难，管理人员难以掌握井下人员的动态分布及作业情况。一旦发生事故，对井下人员的抢救工作缺乏可靠的信息支持，抢险救灾和安全救护的效率低，甚至贻误宝贵的时机，造成不必要的损失。煤矿井下人员跟踪定位系统，可对煤矿入井人员进行实时跟踪
17、定位，能够随时掌握井下人员的位置及活动路线。一旦发生灾变，可以立即从监控终端上查询事故现场的人员位置分布情况、统计被困人员数量、规划遇险人员撤退线路，为事故抢险提供有力的信息支持随着国家对煤矿安全的日益重视和监管力度的不断加强，各具有一定生产规模和管理水平的煤矿都已装备了安全生产监控系统，这些安全装备的推广应用大大改善了我国煤矿安全生产状况。但是目前煤矿井下管理还普遍存在入井人员管理困难，管理人员难以掌握井下人员的动态分布及作业情况。一旦发生事故，对井下人员的抢救工作缺乏可靠的信息支持，抢险救灾和安全救护的效率低，甚至贻误宝贵的时机，造成不必要的损失。煤矿井下人员跟踪定位系统，可对煤矿入井人员
18、进行实时跟踪定位，能够随时掌握井下人员的位置及活动路线。一旦发生灾变，可以立即从监控终端上查询事故现场的人员位置分布情况、统计被困人员数量、规划遇险人员撤退线路，为事故抢险提供有力的信息支持 。因此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作显得尤为重要和紧迫。该系统产品应用于煤矿井下的设备安全运行、网络数据通信、数据的远距离传输、信号转换接口和信息处理等方面的技术难题，将为煤矿井下人员、设备监测、控制和跟踪管理，以及生产统计管理等方面提供有效的科技支撑，必将有力地推动了煤矿企业的经济发展。三、 研究思路及方案 当工作人
19、员经过预先固定在矿井内的基站时，工作人员矿灯上所携带的无线电收发装置就发射一组带有工人信息的信号，基站接收到以后经过处理以后经由通信系统传到主机房，主机房显示出他所在位置和他的工种等等。当基站处接收到各个传感器传来的信息一旦判断为危险就发出危险警报。并发射一组无线电使得在其接收范围内的终端接收到危险信号而退出其危险区域。并将危险信息传送到主机，使其能够合理组织抢修。 专题论文正文第一章 绪论（一） 系统的一般结构 井下定位系统由主机机房，通信系统，基站，终端四陪分组成。 系统结构图 （二） 系统的基本原理首先在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中根据现场具体需要放置一定数量的基站。通常情况下一个
20、地点只需要放置一个即可跟踪此地点进出人员情况，特别是叉口处。将基站通过传输总线与地面计算机连接，并给基站提供一个稳定的工作电源。这样就完成了一个由井上主机通过电缆连接井下基站并有无线终端器的系统。当工作人员经过预先固定在矿井内的基站时，工作人员矿灯上或机车上所携带的无线电终端收发装置便会发射一组带有工人信息的信号，基站接收到以后经过处理以后经由通信系统传到主机房，这样主机机房的主机软件就可判断出具体信息（如：是谁，在哪个位置，具体时间），同时可把它显示在控制中心的大屏幕或电脑显示屏上，并做好备份。管理者可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图查看某一区域，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出
21、来。中心站主机会根据一段时间的人员出入信息整理出这一时期的每个下井人员的各种出勤报表。当基站处接收到各个传感器传来的信息一旦判断为危险就发出危险警报。并发射一组无线电使得在其接收范围内的终端接收到危险信号而退出其危险区域。并将危险信息传送到主机，使其能够合理组织抢修。（三） 系统开发设计相关理论知识介绍井下无线通信一直是世界难题，多年来国内外进行了多次试验，研制了部分井下无线通信设备，但效果都不理想，相对于地面无线通信来说进展缓慢。90年代中后期，随着科学技术的进步，尤其是通信技术的发展，井下无线通信逐渐进入实用阶段。井下无线通信条件复杂，要进行理论研究相当困难，主要以实验为基础缓慢发展起来的
22、。试验表明，在中短波频段，井下隧道对电波衰减最大，通信距离最近。这可以认为是隧道尺寸与波长比拟产生谐振吸收或电波在有限空间内多次反射能量消耗的结果。在超短波，通信距离随着频率升高而增加，电波传播衰减逐渐减小。这种单调的反比变化是由于隧道对更高频率的电波渐呈波导作用引起的，因而传播条件逐渐改善，通信距离加大。在微波频段，随着频率升高衰减变得很小，因此隧道可认为是微波通信的波导型通道。这是由于隧道直径远远大于波长，微波信号在隧道中获得了相对较大的自由传播空间形成的。上述实验表明，隧道断面尺寸决定了截止频率。断面大，截止频率低，通信效果就好，断面小，截止频率高，则必须选择更高的信号频率才能实现井下无
23、线通信。 井下无线通信的特点是整个的无线信号的传播都是在井下的巷道，是一个封闭的环境，与地面无线通信无相互干扰。目前国内还没有井下无线通信标准，因此系统可以根据现有的技术条件和实际需要进行开发。但应考虑要适合以后通信发展的要求，要有利于推广使用。1目前井下通信方式主要有以下几种:11低频导引通信 低频导引通信工作在几百KHz的低频段，利用同轴电缆引导信号传输。为使电波向电缆外的巷道内辐射，每隔几百米在电缆上装一个辐射器，以实现井下的无线移动通信。由于频率低、电缆的传输损耗小(2dBm/Km-4dB/Km)距离大。低频导引通信可直接覆盖1 OKm左右来满足井下通信的要求，如果加接中继器，通信距离
24、可继续扩大，因此低频导引通信系统简单实用，造价最低。低频导引通信的主要弊端是存在井下的各种低频电磁干扰，数据误码率高，可靠性低。但是由于价格低廉，仍是一些公司(如南非的GST)系统总体设计及方案论证12短波漏泄通信 短波漏泄通信使用漏泄同轴电缆引导信号。在短波，漏泄电缆比普通同轴电缆的传输损耗略大(20dBm/Km-40dB/Km );当频率更高时，漏泄能量随频率升高急剧加大，漏泄电缆的传输损耗比普通电缆大得多，因此为了远距离传输，漏泄通信的频率选在20MHz- 150MHz的短波和超短波低端，为了弥补能量损失，每隔几百米加一个中继双向放大器，以实现井下的远距离无线通信。短波在隧道中传播条件最
25、差，衰减最大，因此短波信号在井下中产生和受到的干扰也最小，是井下无线通信中最有利于抗干扰的频段。同时这个频段的地面通信设备和技术非常成熟，所以短波漏泄通信成为许多国家发展井下无线通信的共同选择，如德国、英国、美国等.但其缺点是:造价过高，对我们需构建的系统来说难以承受，并非针对井下无线通信而设计.13红外无线通信 红外线的波长介于红光和微波之间，波长为800nm- 11 OOnm，在红外通信中，常用的光源中心波长为950nm，红外光具有可见光的反射及衍射能力。红外光发射时，可见光对其影响较小，另外红外光的介质吸收能力也强于无线电波，因此红外光在近距的通信中被广泛应用。但如果用做随身携带的无线数
26、据发送工具，显然有其致命不足的地方。由于其对接收信号的方向性要求比较高，对微功率系统来说，若发射和接收之间有人的身体或其它物体遮挡，信号可能就会很难被有效传输。波兰等一些国家曾在这方面做过尝试，但效果很不理想。14微波频段通信 所谓微波是一种具有极高频率(通常为300MHz-300GHz )，波长很短，通常为1 mm-1 m的电磁波。在微波频段，由于频率很高，电波的绕射能力弱，所以信号的传输主要是利用微波在视线距离内的直线传播，又称视距传播。这种传播方式，虽然与短波相比，具有传播较稳定，受外界干扰小等优点，但在电波的传播过程中，却难免受到地形，地物及气候状况的影响而引起反射，折射，散射和吸收现
27、象，产生传播衰落和传播失真。 由于井下隧道对微波频段在一定程度上相当于通道，因此在许多情况下采用微波直接通信更为简便有利，试验也证明了这一点。微波频段通信适用于直巷道通信，如铁路、公路隧道和矿山主巷道等，对于弯曲的巷道，在转折点之后，信号衰减的特别快。通信距离同时取决于隧道的断面尺寸、频率和通信天线的型式等多种因素。微波频段没有工业设备的电磁干扰，对于抗环境电磁干扰极为有利。同时电缆对微波信号的传输损耗很大，因此不能采用微波导引方式。这说明微波是一个有利于通信的频段，但其通信距离被严格限制。目前还没有微波频段的无线数字通信技术在井下无线通信中投入实用。2井下无线通信方案的确定 除以上几种方案外
28、我们还考察了采用射频IC卡的方案，查阅了一些资料，这种方案虽然功耗极低，但依据目前市场上的产品的通信距离远远不能满足我们的要求，故对该方案没有做过多的考察。 通过以上的比较，我们可以知道井下隧道空间内对无线电波呈高通特性，以上通信方式各有优缺点。结合所设计系统的实际情况，最后采用了在微波频段进行信号的无线传输。因为系统并不要求无线信号可靠的传输很远的距离，只要求在身份码检测站的有效检测范围30米内能进行可靠的数据传输，就可满足系统的需要。在一个直巷道的范围内，使用微波频段是完全可以实现的。 对于开发设计高频的无线通信产品来说，首先要必须要有必需的高频通信试验设备，而这些设备是比较昂贵的;其次开
29、发设计人员，需要有较丰富的设计高频电路的实践经验。即便是以上两点都具备，开发一个高频无线收发产品的产品的周期也是比较长的。资金、经验都是我们缺乏的，时间上也耗费不起。而目前市场上有很丰富的无线收发品模块，而且都是比较成熟的产品。我们应当利用市场现有产品缩短我们的开发周期，弥补我们的不足。伴随着科学技术的飞速发展，无线通信技术的高速发展，微波频段无线通信产品出现了如下趋势: (1)采用多层电路板和大规模集成电路技术，使电路简单化、性能稳定、可靠性提高，设备的体积和重量也得以减小。 (2)采用多信令形式提高系统的灵活性和抗干扰能力。 (3)可通过交换机与地面通信网互联。 (4)采用导频技术抑制噪声
30、。 (5)采用各种高效天线，减小尺寸，提高通信效率。 (6)采用多系统合路技术，使各种井下专用通信系统共网建设。 井下无线通信作为通信行业的一个新领域已进入实用发展阶段，理论研究和技术开发上都具有极大的发展潜力，随着数字通信技术的发展，井下通信必将进入一个新的发展阶段。31现场总线概述 从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新:一次是50年代末由旧式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表的转变;另一次是80年代从电子模拟仪表到控制器和集散系统(DCS)的转变。进人90年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线(Field Bus-FB)技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术
31、界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。前两次革新远远不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线使控制系统发生了概念上的全新变化。它使传统的控制系统结构发生了根本的变化，在某种意义上，可认为现场总线最终将完全代替DCS。现场总线控制系统(FCS)，即网络集成式全分布控制系统，其特点是控制功能由过去的控制室设备变为智能现场仪表来承担，控制功能分散化，全数字化，就有可能组成大型的开放式控制系统。进而实现从最高决策到最低设备层的综合管理和控制。现场总线的有关规范一经国际公认，通过功能模块参数标准化，用户可以实现不同厂家产品的互操作，择优集成。总之，基于现场总线技术的控制策
32、略和网络结构，引发了工业自动化装置和控制系统的又一次革命。 现场总线，是指将现场设备(如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等)与工业过程控制单元、现场操作站等互连而成的计算机网络，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产物。可以认为，现场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备通过同一总线进行双向多变量数字通讯。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信，为整个工业系统全数字化运行奠定了基础。 可见应用现场总线，是自动控制系统的一个趋势。目前在井下应用现场总线，还处于起步阶段，本文准备采用
33、一种比较适合煤矿井上、井下现场总线，做一些有益的实践。32现场总线的特点 现场总线完整地实现了(3C技术)控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项特点。 (1)开放性和可互操作性。FCS开放性意味将打破DCS大型厂家的垄断，给中小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 (2)彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。 (3)低成本。衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对DC)而言，
34、11 L1.3开放的体系结构和OEM技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为I对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的AM D/A转换装置、布线安装成本和维护费用。 因此从总体上来看，FCS的成本大大低于DCS的成本。可以说开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革。33现场总线通信协议特点 现场总线通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1, 2, 7层功能。 (1)物理层采用EIA-RS232, EIA-RS422/ RS485等协议。由于在某些情况下，现场传感器、
35、变送器要从现场总线“窃取”电能作为它们的工作电源，因此对总线上数字信号的强度(驱动能力)、传输速率、信噪比以及电缆尺寸、线路长度等都提出一定要求。 (2)数据链路层考虑到现场设备故障较多，更换频繁，所以数据链路层媒体访问控制多采用受控访问(包括轮询和令牌)协议，通常各CPU, PLC作为主站，传感器、变送器等作为从站。另外，须支持点一点、点一多点和广播通信方式。 (3)应用层解决应用什么样的高级语言(或过程控制语言)来作为面向用户的编程 (或组态)语言，其中包括设备名称、网络变量与配置(捆绑)关系，参数与功能调用及相关说明等，一般应具有符合IEC1131-3标准的图形用户界面(GUI).34现
36、场总线发展现状及方案选择 国际电工技术委员会(IEC)从1985年即开始着手制订国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“Fieldbus现场总线。目前国际上有40多种各具特色的现场总线，没有任何一种现场总线能覆盖所有应用面。其中有几种总线技术应用比较广泛，都具有各自的特点，也显示了较强的生命力。 (1) FF (Foundation Fieldbus现场基金会总线)由美国仪器协会(ISA) 1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。FF的特色是其通讯协议在ISO的OSI物理层、数据链路层
37、和应用层3层之上附加了用户层，通过对象字典OD ( Object Dictionary)和设备描述语一A D DL (DeviceDescription Language)实现可互操作性。目前基于FF的现场总线产品有，国Sma:公司生产的压力温度变送器，Honeyweill&Rockweill推出的ProcessLogix系统，Fisher-Rosemount推出的PlantWeb o ( 2 ) Profibus ( Process Fieldbus过程现场总线)德国西门子公司1987年推出，应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，其最高通信速率可达1 Mbp
38、s/40m，最远可达5Kbps/1 Okm，并且开发工具廉价。CAN的信号传输采用短帧结构(每帧的有效字节数为8个)，受干扰的概率低，当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，具有较强的抗干扰能力。 Motorala, Intel, Philips均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的80C51芯片 4网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。其基本结构有星型、环型和总线型三种。（1）星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点(工作站、服务器)都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又为集中式网络。它具有如下特点:结构简单，便于
39、管理;控制简单，便于建网;网络延迟时间较小，传输误差较低。但缺点也是明显的:成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。 （2）环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环型连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。环型结构具有如下特点:信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制;环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单;由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长;环路是封闭的，不便于扩充:可靠性低，一个节点故障，将会造
40、成全网瘫痪;维护难，对分支节点故障定位较难。 （3）总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。总线型结构的网络特点如下:结构简单，可扩充性好。当需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支节点相连，当总线负载不允许时还可以扩充总线;使用的电缆少，且安装容易;使用的设备相对简单，可靠性高;维护难，分支节点故障查找难。 通过以上分析，根据现场的要求，考虑应用总线的费用、灵活性和可靠
41、性，系统采用了总线型拓扑结构。51 通信方式：第一种通信方式：从接收器到发射器的数据传输为第一种通信形式。发送的数据流同时被所有的发射器接收，此方式称为“无线广播”第二种通信方式:在接收器的应答范围内有多个发射器的数据同时传输给阅读器，这种通信方式称为多路存取。52 通信协议：本系统当中我们所采用的无线数传模块是PTR2000，PTR2000灵敏性很高，因此在无载波的情况下在接收端会产生随机的数据，在通信协议中必须在有效数据前加上两个或多个固定的前导字符作为同步信号，使得接收端能够辨别出有效数据的开始。53通信模式：本系统中所采用的是一点对多点的无线通信模式，因此必须选择一种多址方式来实现点对
42、多点通信，常用多址方式有时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）等,其中FDMA为每一路通信提供一个不同的频段，易于实现，但是需要比较大的频段资源，而且抗干扰能力差。CDMA是采用不同的编码来区分不同的信道，抗干扰能力强，但是传输开销非常大，而且实现也比较复杂。TDMA在同一时间内只有一个信道可以通信，抗干扰能力较强，传输开销较小，而且实现比较容易，虽然实时性较差，但是由于温度的物理特性，此系统的实时性要求不高，所以可以采用时分多址（TDMA）来实现。54协议：PTR2000是一个半双工的通信模块，发送接收状态由TXE来控制，因此，要对默认的串口驱动程序进行一些修改，在
43、串口驱动程序中的write函数完成发送功能，我们需要在其中加入一个通用对I/O口控制TXE的操作，发送前TXE置1使PTR2000处于发送状态，并且延时确保状态转换完成，发送完毕后TXE置0使PTR2000处于接收状态，并且延时确保状态转换完成。在驱动程序结构中，ioctl函数完成对设备的附加操作，在此函数中我们实现对无线模块的状态的设置，包括发送、接收、节电待机状态之间的转换，其中主要实现节点待机状态和正常状态之间的转换。在其中我们实现数据的编码与解码、发送与接收以及校验，而差错控制交由上层应用程序来控制，通过驱动程序的编写，使得无线通信模块对于上位机来说基本成为标准的半双工串口设备，其中实
44、现停止等待协议，读取到的数据存入共享内存中以备上层应用程序使用。此外，配置信息包括发送给每个节点的全部节点信息，可实现预约式通信，达到节能的目的。6传输：RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强， 即抗噪声干扰性好。RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外 而RS-485接口在 总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示； 逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232-C 降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与 TTL 电路连接。 S-485的数据最高传输速
